L'inchiostro per legno stampato come un rettangolo piatto è programmato per formare una forma complessa dopo l'essiccazione e la solidificazione. (Il righello è segnato in centimetri.). Credito:Doron Kam
Gli oggetti in legno sono solitamente realizzati segando, intagliando, piegando o premendo. È così vecchia scuola! Oggi, gli scienziati descriveranno come le forme piatte di legno estruse da una stampante 3D possono essere programmate per trasformarsi in forme 3D complesse. In futuro, questa tecnica potrebbe essere utilizzata per realizzare mobili o altri prodotti in legno che potrebbero essere spediti piatti a destinazione e quindi asciugati per formare la forma finale desiderata.
I ricercatori presenteranno i loro risultati alla riunione autunnale dell'American Chemical Society (ACS).
In natura, le piante e alcuni animali possono alterare le proprie forme o trame. Anche dopo che un albero è stato abbattuto, il suo legno può cambiare forma mentre si asciuga. Si restringe in modo non uniforme e si deforma a causa delle variazioni nell'orientamento delle fibre all'interno del legno. "La deformazione può essere un ostacolo", afferma Doron Kam, una studentessa laureata che presenterà il lavoro all'incontro, "ma abbiamo pensato di poter provare a comprendere questo fenomeno e sfruttarlo in un morphing desiderabile".
A differenza di alcuni oggetti naturali, le strutture artificiali in genere non possono modellarsi da sole, afferma Eran Sharon, Ph.D., uno dei principali ricercatori del progetto. Ma negli ultimi anni gli scienziati hanno iniziato a stampare fogli piatti che potrebbero trasformarsi in forme 3D dopo uno stimolo, come un cambiamento di temperatura, pH o contenuto di umidità, afferma Sharon. Tuttavia, questi fogli automorfi erano realizzati con materiali sintetici, come gel ed elastomeri, osserva.
"Volevamo tornare all'origine di questo concetto, alla natura, e farlo con il legno", afferma Sharon. Lui e Kam, così come Shlomo Magdassi, Ph.D., e Oded Shoseyov, Ph.D., gli altri principali ricercatori che hanno affrontato questa sfida con Ido Levin, Ph.D., che all'epoca era uno studente laureato —sono all'Università Ebraica di Gerusalemme.
Alcuni anni fa, il team ha sviluppato un inchiostro ecologico a base d'acqua composto da microparticelle di scarto del legno note come "farina di legno" mescolate con nanocristalli di cellulosa e xiloglucano, che sono leganti naturali estratti dalle piante. I ricercatori hanno quindi iniziato a utilizzare l'inchiostro in una stampante 3D. Di recente hanno scoperto che il modo in cui l'inchiostro viene depositato, o il "percorso", determina il comportamento di morphing quando il contenuto di umidità evapora dal pezzo stampato. Ad esempio, un disco piatto stampato come una serie di cerchi concentrici si asciuga e si restringe per formare una struttura a sella che ricorda una patatina Pringles e un disco stampato come una serie di raggi che emanano da un punto centrale si trasforma in una cupola o cono -come struttura.
The ultimate shape of the object can also be controlled by adjusting print speed, the team found. That's because shrinkage occurs perpendicular to the wood fibers in the ink, and print speed changes the degree of alignment of those fibers. A slower rate leaves the particles more randomly oriented, so shrinkage occurs in all directions. Faster printing aligns the fibers with one another, so shrinkage is more directional.
The scientists learned how to program the print speed and pathway to achieve a variety of final shapes. They found that stacking two rectangular layers that are printed in different orientations yields a helix after drying. In their latest work, they found that they can program the printing pathway, speed and stacking to control the specific direction of shape change, such as whether rectangles twist into a helix that spirals clockwise or counterclockwise.
Further refinement will allow the team to combine the saddles, domes, helices and other design motifs to produce objects with complicated final shapes, such as a chair. Ultimately, it could be possible to make wood products that are shipped flat to the end user, which could reduce shipping volume and costs, Kam says. "Then, at the destination, the object could warp into the structure you want." Eventually, it might be feasible to license the technology for home use so consumers could design and print their own wooden objects with a regular 3D printer, Sharon says.
The team is also exploring whether the morphing process could be made reversible. "We hope to show that under some conditions we can make these elements responsive—to humidity, for example—when we want to change the shape of an object again," Sharon says. + Esplora ulteriormente
